单叶片摆动液压缸的参数设计及应用

1、F u n 0 U n ils 功 能郜件 单叶片摆动液压缸的参数设计及应用 黄桂英杨锦斌 ( 青海一机数控机床有 限责任公 司， 青海 西宁 8 1 0 0 1 8 ) 摘要 ： 通过对旋转式托盘交换机构结构设计、 工作原理分析 。 提 出了单叶片摆动液压缸在托盘交换机构中 应用的方案 ， 并进行 了单叶片摆动液压缸的原始数据确定及参数设计 ( 包括工作载荷 、 工作扭矩、 总 效率、 许用扭矩、 额定压力、 流量、 油腔体积及通油口直径 ) 。 对单叶片摆动液压缸设计应注意的问题 进行了分析并提 出了处理措施 。 对发挥数控机床潜能实现高效 j p - r 有现实意义。 关键词： 旋转式托

2、盘交换机构 参数设计应用 P a r a me t e r s De s i g n o f Si n g l e L a mi n a Hy d r o c y l i n d e r a n d I t s Ap p l i c a t i o n HUAN G Gu i y i n g。YANG J i n b i n ( Q i n g h a i N o 1 C N C Ma c h i n e T o o l C o ，X i n i n g 8 1 0 0 1 8 ，C H N) 在加工中心的一个切削循环中， 换刀时间及交换 托盘时间往往 占有较大部分的比重。在传统的加工 中 心

3、上 ， 换刀时间( 切削到切削 ) 达 1 42 0 s 左右 ， 而交 换托盘时间则需 4 0 5 0 S ， 甚至更长达到 1 0 0 s 之外 ， 无疑这对于大批量 、 快节奏生产要求 的企业来说是很 不适应的。而高速加工 中心则在这两方面设计付出了 很大 的努力 ， 得 到的回报也是 比较 可观 的， 换刀 时间 ( 切削到切削) 达 到了 3 5 S 左右 ， 交换托盘时问也减 少到了 1 0 s以内。换刀 时间 的缩短取决于刀库 制造 厂家 ， 而交换托盘时间的缩短取决于机床主机生产企 业。由此看来 ， 托盘交换机构 的设计成为机床设计 师 考虑的关键问题。为 了提高生产率 ， 在

4、选购卧式加工 中心时带有交换工作台的加工中心越来越多地受到顾 客的青睐。而卧式加工 中心托盘交换机构的设计至关 重要 ， 它直接影响着机床的托盘交换精度及交换时间 ， 高速旋转式托盘交换机构较 以前 国内外普遍采用的臂 式拉伸托盘交换机构能大幅度缩短托盘交换 时间 ， 因 此也被国内外机床 制造厂家所采纳 。本文从结构设 计 、 参数计算及注意事项等方面叙述单叶片摆动液压 缸在卧式加工中心托盘交换机构中的应用。 1 旋转式托盘交换机构的结构设计 摆动液压缸在液压系统 中的作用是将液压能转变 成 回转运动机械能， 使机械机构实现小 于 3 6 0 。 或小于 1 8 0 。 的往复摆动运动 ，

5、所 以摆动液压缸俗称为摆动油 马达。单叶片摆动液压缸 能做 小于 3 6 0 。 的往复摆动 运动， 而双叶片摆动液压缸只能做小 于 1 8 0 。 的往复摆 动运动。基于卧式加工 中心托盘交换需完成 1 8 0 。 1 。 等 uu l耳 帚 O 朋 范围内的往复摆动运动 ， 高速旋转式托盘交换机构采 用 了单叶片摆动液压缸作为旋转驱动机构 ， 见图 1所 示 。单叶片摆动液压缸 由缸盖 、 缸体 、 缸座 、 转动叶片、 固定叶片及回转支承轴承等件组成。 1一缸盖；2 、6一滚锌轴承 ；3一缸体 ；4一转动叶片 ；5一缸座； 7 一销轴 ；8 一推 力球轴承 ；9一移动缸体 ；1 0 -下

6、缸 盖； I 1 一托 盘交换支座； i 2 一固定叶片；1 3 一法 兰盘 ； 1 4 一托盘变承座 ；1 5 一活塞。 图 1 单叶片摆 动液压缸 旋转式托盘 交换机构示 意 图 叶片摆动液压缸旋转式托盘交换机构 的工作原理 也等同于齿条油缸驱动 回转运 动的托盘交换机构 ， 只 是单叶片摆动液压缸替代了齿条油缸驱动油缸 。其工 作原理如下 ： 当工作 区域 内托盘上工件加工完成后 ， 托 盘接到交换指令 ， 双作用液压缸上油腔开始蓄压力油 ， 托盘支承座在移动缸体 9的作用下将托盘抬起 ， 当双 1 2 3 功能部件 作用液压缸上油腔蓄油达到设计位置 时， 销轴 7进入 到缸座的导向孔中

7、， 将托盘支承座 1 4与单叶片摆动液 压缸的缸体缸盖组件中的缸座 5联接在一起 ， 单叶片 摆动液压缸的左油腔开始蓄压力油 ( 见 图 2所示 ) ， 托 盘支承座在单叶片摆动液压缸的作用下作顺时针旋转 运动 ， 当叶片摆动液压缸左油腔的蓄油达到设计要求 时， 托盘支承座在单 叶片摆动液压缸的作用下完成旋 转 1 8 0 。 ， 转动叶片从油缸起始位运 动至油缸终 止位 ， 将非工作区域 内托盘移至正确位置后 ， 双作用液压缸 下油腔开始进入系统压力油 ， 在移动缸体 9和托盘支 承座的拖动下将托盘落下， 当双作用液压缸下油腔蓄 油达到设计位置时， 完成托盘交换任务 。通过托盘定 位机构定位

8、后 ， 锁紧机构锁死托盘 ， 工作区域 内托盘上 工件即可进入加工状态 。再 者， 双作用液压缸上油腔 开始蓄压力油 ， 托盘支承座在移动缸体 9的作用下将 托盘抬起 ， 销轴 7进入到缸座的导向孔中， 将托盘支承 座 1 4与单叶片摆动液压缸的缸体缸盖组件 中的缸座 5联接在一起 ， 单 叶片摆动液压缸的右油腔开始蓄压 力油( 见图 2所示) ， 托盘支承座在单叶片摆动液压缸 的作用下作逆时针旋转运动 ， 托盘支承座在单叶片摆 动液压缸的作用下完成旋转 1 8 0 。 ； 转动叶片从油缸终 止位运动至油缸起始位 ， 即单 叶片摆 动液压缸完成 了 一 个完整 回转周期。 转动叶片起始位 转动

9、叶片停止位 特制密封 固定叶片 固定销轴 限位调整块 图2 单叶片摆动液压缸驱动工作原理 2 单叶片摆动液压缸的参数设计 单叶片摆动液压缸的参数设计包括 以下两方面： 原始数据的确定和单叶片摆动液压缸 的参数设计。 2 1 原始 数据 的确定 单叶片摆动液压缸的原始数据包括机床的额定工 作压力 、 托盘重量和最大载重 ， 机床的额定工作压力取 决于机床液压系统的系统压力 ， 托盘重量与托盘大小 、 结构有关 ， 最大载重与机床 的结构有关。如我厂某 型 卧式加工 中心液压系统 的系统压力为 7 M P a ， 托盘重 量为 2 0 0 0 N， 最大载重为 5 0 0 0 N， 托盘交换机构的

10、托 盘支承采用了传动球座滚动支承的形式。 2 2 单叶片摆动液压缸的参数设计 ( 1 ) 工作载荷的计算 因托盘交换机构的托盘支承采用了轴承滚动支承 的形式 ， 即摩擦 系数厂为 0 0 0 20 0 0 4 ， 取 f： 0 0 0 3 ， 故单叶片摆动液压缸的工作载荷为 F=( 2 0 0 0 + 5 0 0 0 ) 0 0 0 3=2 1( N)。 ( 2 ) 工作扭矩的计算 旋转式托盘交换机构在执行托盘交换任务时， 托 盘支承座在单叶片摆动液压缸 的作用下作旋转运动 ， 而托盘支承在两 条弧形轴承滚 动导轨上 ( 见图 3所 示 ) ， 可见托盘交换机构的旋转力臂 R ， =( R 一

11、 R ： ) 2 + R 2 ， 又如 R 1 = 6 5 0 m m、 R 2 = 3 5 0 mm， 即 R 3 = 5 0 0 mm。 托盘交换机构的工作扭矩 M =( F x R ) 1 0 0 0 ， 又 R = 5 0 0 m m、 F= 2 1 N， 即 M =1 0 5( N m) 。 图3 托盘交换机 构弧形滚动导轨示意 图 ( 3 ) 摆动液压缸的总效率计算 单叶片摆动液压缸 的总效率 由以下效率组成 ： 机械效率 7 ， 由转动叶片与固定叶片 、 缸盖及缸座密 封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失， 因单 叶片摆动液 压缸密封处较多， 且间隙较小， 所以单叶片摆动液压缸 的机械

12、效率 较活塞式 液压缸 低 ， 一 般取 7 =0 8 0 0 9 0 ( 活塞 式液 压缸 的机 械效 率 一般 取 叼 =0 9 0 9 5 ) ； 容积效率 叼 ， 由各密封件的泄漏所造成 ， 缸 盖和缸座的密封一般较好 ， 但转动叶片和 固定 叶片的 密封较困难 ， 也是摆动液压缸设计的关键 ， 尽管费了很 多心思 ， 转动叶片和固定叶片密封处的泄漏不可忽视 ， 基于以上考虑摆动液压缸的容积效率 叼 也 比活塞式 液压缸低 ， 一般取 7 ， = 0 8 5 ( 活塞式液压缸的容积效率 一 般取 7 =1 ) ； 作用力效率 叼 ， 由摆动液压缸 的节 、 = u 耳舅O卅 f 流缓冲

13、机构上的背压反作用力所造成 的， 一般取 吼 = 0 9 5 。摆动液 压缸 的总效 率 r =叩 叩 d ， 又 叼 取 0 8 O 、 町 ， 取 0 8 5 、 r d 取 0 9 5 ， 即 7 = 0 8 0 x O 8 5 0 9 5 = 0 6 4 6。 ( 4 ) 摆动液压缸的许用扭矩计算 单叶片摆动液压缸的油腔蓄压力油 ， 托盘支承座 、 缸体 、 缸盖及缸座组件在油腔压力油的作用下作旋转 运动 ， 可见单叶片摆动液压缸的旋转力臂 r =( r 一 r ： ) 2 + r 2 ， 又如 r 1 =1 8 0 mm、 r 2 = 4 0 mm， 即 r 3 =1 1 0 m m

14、， 见 图 4所示 。 图4 单叶片摆动液压缸节流槽及作用力臂示意图 摆动液压缸 的许 用扭 矩 M2 =( F x r ) 1 0 0 0 ， 又 M2 X 叼 = M1 ， F 为工作推力。即( F 1 x r 3 ) 7 7 1 0 0 0 = 1 0 5 N IT I ， 可得单叶片摆动液压缸 的工作推力 F = ( 1 0 5 x l 0 0 0 ) ( 1 l O x O 6 4 6 ) 1 4 7 7 6( N) 。 ( 5 ) 摆动液压缸的额定压力计算 单叶片摆动液压缸的额定压力 P=1 O 0 0 F A， 又 A=( r 。 一 r 2 ) 6 、 叶片 高 6=1 8 0

15、 mm， 即 P：( 1 0 0 0 1 4 7 7 6 ) ( 1 8 0 4 0 ) x 1 8 0 ， 可得 P一5 8 6 MP a 机床 系统压力 ， 满足 机床 液 压 系统 的系 统 压力 为 57 MP a 。若摆动液压缸 的额定压力大于机床系统压力 ， 则可调整摆动液压缸的 r 、 r 及 6 值 ， 使其满足机床液 压系统的系统压力。 ( 6 ) 摆动液压缸的流量及油腔体积计算 单叶片摆动液压缸的流量指的是在单位时间内压 力油通过油腔有效截面的体积 ， 即流量 9=Wt ， V为单 叶片摆动液压缸的有效油腔空 间， t 为单 叶片摆 动液 压缸的行程时间( 指的是叶片在缸体

16、 内完成全部行程 所需要的时问) 。 单叶片摆动液压缸的有效油腔空间也就是液压缸 的扇形 油腔体积 ， 可有 下式 计算 ： V=b T r ( r 一1 2 ) X 1 8 0 。 3 6 0 。 ， 即 =1 8 0 x 3 1 4( 1 8 0 一4 0 ) x O 5 m l T l = 0 8 7x1 0 I T l m =8 7 L。 假定单叶片摆动液压缸的行程时问为 1 0 S ， 可见 单叶片摆动液压缸的流量 Q=V t =8 7 L s = 5 2 2 L m l n 。 等 ； z u 平 弗 O 删 F u n c ljo n U n jls 功能部件 ( 7 ) 摆动液

17、压缸的通油 口直径计算 根据油孔中行程时间内通过压力油的体积等于在 行程时间内进入 摆 动液压 缸 的压力 油体积 ， 即： V= I O C A V P 其 中： C= 0 70 8 ， C为流量系数 ， 取值 C=0 7 ； 卸 ( 为油孔前 、 后腔压力差) =7 5 8 6= 1 1 4 MP a ：1 1 4 x 1 O P a ， P ( 密度) ：0 8 5 g c m ： 0 8 5 1 0 k g m 。又 ： =8 7 L：8 7x1 0一 I l l 。 I ， 可得 ： A= = 2 4 x 1 0 m 1 0 C | P 而 A 盯 r ， 得 r = A 1 T 一

18、0 0 0 2 7 7 i n= 2 7 7 IT l m， 即通油孔直径为 d = 5 5 4 mm， 圆整为 d ： 6 m m。 若想进一步缩短摆动液压缸 的行程时间， 可通过 加大通油孔直径至 8 m m， 提高通油孔 中压力油的流 量， 在较短的时间内摆动液压缸的压力油体积达到设 计要求 ， 叶片更快完成全部行程旋转运动 ， 从而达到缩 短行程时间的目的( 行程时问可缩短至 5 S 以内) 。 3 摆 动液压缸设计 中应注意的主要 问题 摆动液压缸在设计过程 中需要注意 的事项很 多， 包括轮廓尺寸、 变形 、 环境变化 、 缓 冲机构 、 排气装置以 及密封等问题 。轮廓尺寸 、

19、变形 、 环境变化对机构设计 的影响不是太 明显 ， 但缓冲机构 、 排气装置 以及密封问 题是设计人员必须考虑并给予足够重视的。 ( 1 ) 缓冲装置 摆动液压缸旋转运动速度较快 ， 所带动的部件质 量又很大 ， 这样 当叶片运 动至设 计位置 时惯 量很大。 为此在缸座的进 出油 口必须设置节流机构 ， 借此产生 制动力 ， 使叶片缓缓运动至设计位置。一般采取缝隙 节流式和小孔节流式 的节流缓冲装置 ， 而上述机构 中 采取 了变截面节流槽式的缓冲机构 ( 见图 4中局部放 大图) ， 叶片在旋转运动临近终止位时， 随着终止位 的 逼近而通油孔逐渐变小 ， 从而造成背压 ， 迫使 叶片降速

20、 制动 ， 实现缓冲。 ( 2 ) 叶片密封 摆动液压缸 的叶片密封是设计摆动液压缸的关键 要素。缸盖和缸座 的密封一般较好处理 ， 一般采用 0 型密封圈即可解决问题。固定叶片与缸盖 、 缸座销轴 联接 ， 缸盖 、 缸座与缸体螺钉紧固， 固定叶片、 缸盖和缸 座作为一体组件围绕转动叶片作旋转运动 ， 显然转动 叶片和 固定叶片的密封较为 困难 ， 事实也是如此 。转 动叶片和固定 叶片的密封采用了叶片外缘镶嵌框形密 1 2 5 - 功能都件 F u n c tio n U n its 封件的密封方法 ， 在其结构细节上费了很多心思 ， 总体 来说基本上满足机构设计要求 ， 但密封尖点 、

21、交接等处 的密封还是存在一定的泄漏现象 ， 不可忽视 ， 是摆动液 压缸设计人员值得关注的细节。 ( 3 ) 排气装置 液压系统在装配过程中或长时间未工作之后会进 入空气 ， 再者液压油中也混有空气 ， 由于空气具有很大 的可压缩性 ， 导致液压缸在工作时会产生爬行 、 发热以 及噪声等现象。因此设计摆动液压缸 ， 特别是设计要 求具有较 高运动平稳性 的液压缸 时必须考虑排气装 置， 以便能及时排除积留在缸腔 内的空气。一般采取 在最高处设置专门的排气阀机构来解决排气问题。 4 结语 单叶片摆动液压缸旋转式托盘交换机构 ， 因交换 时间短 、 效率高等特点虽被 国内外机床制造商经常采 用 ，

22、 但也存有不足之处。其缺点是存在质量 、 安全隐 患 ， 机床在工作过程中难免会 出现系统压力油泄漏 、 故 障报警及断电等非正常因素停机现象。虽然 已采取 了 阀体组合保压 、 压力补偿等手段的可靠性设计 ， 但是 因 压力损失或断电后再次启动压力系统 ， 很容易引起双 作用液压缸在 承受载荷 的作用 下导致托盘支 承座下 移 ， 必然对机床带来损 害、 对企业造成不必要的损失 ， 更重要的是对操作者的人生安全带来威胁 。对此缺陷 我们提出了改进方案 ， 只需对双作用液压缸 的上油腔 改造成碟形弹簧施加锁紧力 的机械机构 ， 再加上正确 计算碟形弹簧的锁紧力并在装配过程 中控制锁紧装置 锁紧

23、力的正确性即可达到合理、 稳定 、 可靠地抬起托盘 支承座的目的 ， 完全改善了因系统压力油 内泄漏 、 断电 等因素引起的压力损失可能导致托盘支承座下移的不 利现象。 在交换托盘卧式加工中心 中， 托盘交换机构是交 换托盘工作过程中的一个重要环节它的稳定及可靠性 直接影响着加工中心的使用效率 ， 严重影 响用户厂家 生产加工的效率和节拍 ， 有必要且必须给予 足够的重 视 。 ( 编辑蔡云生) ( 收稿 日期 ： 2 0 0 8 1 1 1 3 ) 文章编号： 9 8 3 9 如果您想发表 对本文 的看法。 请将 交章编号填入读者意见调查表审的 相应位鼍。 ( 上接 第 1 1 8页) 标提

24、供依据。从客户需求质量屋可以清楚地看 出， 客 户对玻璃堆垛机械的需求重要程度和满足客户需求所 需要的技术要求。 、 技 术 特 征 模 可 承 运 振 自 块 重 动 动 机 机 化 构 载 动 械 构 成 原 寿 装 动 结 设 能 节 噪 化 原 尺 太 机 命 配 客户需求 构 计 力 拍 吉 程 理 寸 度 搬运不同规格玻璃 0 2 4 5 O O 功能 适合不同场域的需要 0 O 8 2 0 承 载能 力大 O 1 2 7 o 速度快 O 1 2 7 o o 性能 振动噪声小 O 0 5 O O O 操作简单 O 0 2 2 空间利用高 0O 8 8 o O 结构 结构尺寸小 O0 8 8 O O 价格适中 00 6 8 o O 经济 能耗少 00 2 3 o 寿命 产品寿命长 0 0 5 2 O 维修 维修方便 OO 2 9 O 为产 品技术规范与信息 ， 这种方